(57)【要約】【課題】従来の放電素子は、磁器表面の凹部に水分が凝結し、この水の中に硝酸アンモニウム等が溶解することにより耐久性が低下するという問題があった。【解決手段】放電電極上に表面粗さＲａ１０μｍ以下の保護層を設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる基板の表面に放電電極を設け、その基板内部に誘電電極を埋設し、前記放電電極と前記誘電電極とを誘電体層を介して対向せしめた放電素子において、前記放電電極上に表面粗さＲａ１０μｍ以下の保護層を設けたことを特徴とする放電素子。
【請求項２】
前記保護層を、セラミック層をベースとする多層構造としたことを特徴とする請求項１記載の放電素子。
【請求項３】
前記保護層の厚みを２０〜１００μｍとしたことを特徴とする請求項１または２記載の放電素子。
【請求項４】
前記保護層の表面を非結晶化ガラスで形成したことを特徴とする請求項１または２記載の放電素子。
【請求項５】
前記保護層の表面を厚み１０μｍ以下のポリイミド樹脂で形成したことを特徴とする請求項１または２記載の放電素子。
【請求項６】
前記保護層の最下層を厚み１０ｍ以上のセラミック層で形成したことを特徴とする請求項１または２記載の放電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オゾン発生装置、イオン発生装置などに用いる放電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の放電素子は、図３に示すように、セラミックスで形成された放電素子１８の表面に線状の放電電極１３を設け放電素子１８の内部に面状の誘導電極１４を埋没し、これらの電極間に高周波高電圧を印加して基板表面に沿面コロナ放電を発生せしめるものが特許文献１〜４に記載されている。特に、特許文献３、４には、放電素子１８を加熱することにより、放電素子１８の放電面に付着した放電阻害物である硝酸アンモニウムを除去する方法を示している。
【０００３】
従来の放電素子１８の保護層１５は、セラミック単層またはガラス単層で、プリントや積層などの製法により形成されているが、その製造工程でのピンホールや放電電極１３との積層不良によるボイド、焼成時の脱粒、粒成長などにより表面粗さが大きくなっている。このような表面粗さの大きい従来の放電素子１８を長期間、大気中で使用していると放電電極１３上に吸水性の硫酸アンモニウムが生成され、放電を阻害することが知られている。
【０００４】
これは、放電により生成する窒素酸化物が大気中に存在する微量のアンモニアと反応して、それが放電電極１３上、及びその周辺のセラミックスの凹凸部に白色針状結晶として入り込み、析出する物である。この硫酸アンモニウムは乾燥状態では、放電を阻害する影響が小さい為、放電素子１８に内蔵された発熱体パターンや、放電素子１８の裏面に取り付けられた小型ヒーターを１００〜３５０℃に加熱除去する方法が、前述の特許文献３、４にて提案されている。
【特許文献１】特公平２−２２９９８号公報
【特許文献２】特公平３−４９１９８号公報
【特許文献３】特開平５−１６６５７８号公報
【特許文献４】特開平１１−１３９８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の方法では、放電素子上に落ちた塵・埃や放電素子を支持するものや近傍のものが発火する危険があり、安全面に問題があった。
【０００６】
また、表面粗さ（Ｒａ）が大きかった従来の放電素子は、磁器表面の凹部に水分が凝結し、この水の中に硝酸アンモニウム等が溶解することにより前記凹部付近の水分の凝結に関する臨界湿度が低下し、さらに放電素子表面に水分が付着しやすくなり、放電素子の機能を低下させるという問題があることが判った。また、このようにして前記凹部の水分中に溶解した硝酸アンモニウムは、周囲の湿度変化により濃縮され、保護層を侵食し劣化させるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の放電素子は、セラミックスからなる基板の表面に放電電極を設け、該基板内部に誘電電極を埋設し、前記放電電極と前記誘電電極とを誘電体層を介して対向せしめた放電素子において、前記放電電極上に表面粗さＲａ１０μｍ以下の保護層を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の放電素子は、前記放電極上の保護層を、セラミック層をベースとする多層構造としたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の放電素子は、前記保護層の厚みを２０〜１００μｍとしたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の放電素子は、前記保護層の表面を非結晶化ガラスで形成したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の放電素子は、前記保護層の表面を厚み１０μｍ以下のポリイミド樹脂で形成したことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の放電素子は、前記保護層の最下層を厚み１０ｍ以上のセラミック層で形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、セラミックで形成された基板の表面に放電電極を複数設け、その基板内部に面状誘電電極と埋設して、前記放電電極と前記面状誘電電極とを誘電体層を介して対向せしめた放電素子において、前記放電電極上に表面粗さＲａが１０μｍ以下の保護層を設けることにより、該保護層表面の水分の凝結を抑制することにより、前記保護層への硝酸アンモニウムの付着を制限し、長寿命の高出力の放電素子が得られるようになる。
【００１４】
また、前記保護層を、セラミック層をベースとする多層構造とすることにより、さらに耐久性を改善することができる。
【００１５】
また、前記保護層の厚みを２０〜１００μｍとすることにより、オゾンやイオンの生成量を提言させることなく、さらに耐久性を改善することができる。
【００１６】
また、本発明の放電素子の保護層の表面を、１０μｍ以下の厚みのポリイミドで形成することも可能である。この場合、保護層の最下層の厚みを１０μｍ以下のセラミック層で形成することにより耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を示す。
【００１８】
図１は本発明の放電素子の展開斜視図であり、図２は本発明の放電素子の断面図である。
【００１９】
本発明の放電素子８は、セラミックスシート１，２に内蔵された誘導電極４と、セラミックシート２の表面に形成された放電電極３と、該放電電極３の表面に形成された保護層５とを有する。放電電極３と誘導電極４は対向するように形成され、放電電極３と誘導電極４に挟まれたセラミックシート２は、誘電体層として作用する。この放電電極３と誘導電極４に１〜３ｋＶ程度の高周波電圧を印加することにより、放電電極３の表面にコロナ放電を発生させ、これによりオゾンやイオンを発生させることができるようになっている。
【００２０】
以下、本発明の特徴を順に説明する。
【００２１】
本発明の放電素子８は、セラミックスで形成された基板の表面に放電電極３を設け、その基板内部に誘電電極４を埋設し、前記放電電極３と前記誘電電極３とを誘電体層を介して対向せしめた放電素子８において、前記放電電極３上に表面粗さＲａを１０μｍ以下としてある保護層５を設ける。これにより、保護層５の表面の凹部に生成する水分量を低減し、前記凹部の水分に放電阻害物である硝酸アンモニウムが溶解して、前記凹部の水分凝結に影響する臨界湿度を低下させ、さらに保護層５表面に生成する水分量が増加して、オゾンやイオンの生成量が低下することを防止することができる。このように、凹部の曲率半径により凹部への水分の凝結に関する臨界湿度が低下する現象は、湿度センサにも応用されている。また、保護層５の表面に凝結する水分量を低下させることにより、保護層５の表面に析出する硝酸アンモニウム量を低減させ、放電素子８の耐久性を向上させることができる。
【００２２】
これに対し、前記保護層５の表面粗さＲａが１０μｍを越えると、保護層５の表面の凹部に凝結する水分量が多くなり、放電阻害物である硝酸アンモニウムが保護層５の凹凸部に析出し、その吸水性により放電を阻害するとい不具合が発生するので好ましくない。
【００２３】
保護層５の表面粗さＲａは、さらに好ましくは３．０μｍ以下、理想的には１．０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の放電素子８は、前記保護層５を、セラミック層をベースとする多層構造とすることが好ましい。これにより、表面粗さＲａ１０μｍ以下となるような材料を選択でき、多層化することで、ピンホール、ボイドなどの凹凸を減少させることが可能となり、放電効率が劣化しにくくなるという効果が期待できる。これに対し、前記保護層５が単層構造の場合、プリントや積層になどの製造工程でのピンホールや放電電極３との積層不良によるボイド、焼成時の脱粒、粒成長などにより表面粗さが粗くなり、その凹凸部に放電阻害物である硝酸アンモニウムが析出し、その吸水性により放電を阻害するという不具合が発生するので好ましくない。
【００２５】
具体的には、保護層５のベースとなる内側のベース層５ａをセラミック層とし、その表面にガラスやポリイミドからなる表面層５ｂを形成することが好ましい。このようにすることにより、表面を平滑にするとともに耐久性良好な保護層５とすることが可能となる。
【００２６】
また、本発明の放電素子８は、前記保護層５の全体厚みを２０〜１００μｍとすることが好ましい。前記保護層５の厚みが２０μｍ未満では、保護層５や誘電体層であるセラミックシート２の放電による破壊という問題が発生する。また、前記保護層５の厚みが１００μｍを越えると、放電効率が落ち、放電が生じないという不具合が発生するので好ましくない。
【００２７】
さらに好ましくは、２０〜５０μｍとすることが好ましい。保護層５の厚みを低減することにより、オゾンやイオンの発生量を増加させることが可能となる。
【００２８】
また、本発明の放電素子８は、前記保護層５の表面層５ｂを非結晶化ガラスで形成することが好ましい。これにより、表面粗さＲａ１０μｍ以下となり、放電効率が劣化しにくくなるという効果が期待できる。これに対し、保護層５の表面層５ｂを結晶化ガラスにすると、焼結後にガラス成分の結晶化、粒成長により、表面粗さが粗くなるため、放電時に硫酸アンモニウムが析出し易くなり、耐久性が劣るという不具合が発生する。
【００２９】
また、本発明の放電素子８は、前記放電極３上の保護層５の表面層５ｂを厚み１０μｍ以下のポリイミド樹脂で形成することが好ましい。これにより放電効率が劣化しにくいという効果が期待できる。また、該ポリイミド樹脂の厚みが１０μｍを越えると、ポリイミド自体の吸湿性により、放電効率が落ちるという不具合が発生するので好ましくない。
【００３０】
また、本発明の放電素子８は、前記放電電極３上の保護層５のベース層５ａを厚み１０ｍ以上のセラミック層で形成することが好ましい。これにより、放電効率が劣化しにくいという効果が期待できる。これに対し、前記セラミック層の厚みが１０μｍ以下では、放電の衝撃により、保護層５にクラックが発生という問題があるので好ましくない。
【００３１】
以下、本発明の放電素子８の作製方法を説明する。
【００３２】
まず、セラミックシート１の表面にスクリーン印刷法で、面状の誘電電極４パターンをメタライズインクにより印刷する。焼成後の誘電電極４の厚みは、５μｍ以下では、印刷時のムラが発生し、断線が生じやすくなる。逆に面状誘電電極４の厚みが５０μｍを超えると、焼成時にメタライズインクの脱媒が困難となり、セラミック積層内に気泡が生じてしまう。
【００３３】
次に、前記セラミックシート１と、誘電体層となるセラミックシート２を熱圧着して積層する。セラミックシート２は焼成後の厚みが２０μｍ以上あることが望ましい。セラミックシート２の焼成後厚みが、２０μｍ未満では高電圧印加の際に絶縁破壊する恐れがある。また、放電効率を上げる為には、セラミックシート２の焼成後厚みは３００μｍ以下が望ましい。
【００３４】
次に、セラミックシート２の表面にスクリーン印刷法で、線状の放電電極３パターン３をメタライズインクにより印刷する。放電電極３は、放電電極３の周縁に複数の突起を設けたり、格子状または、複数線状電極とすることで、高効率の放電素子８となる。放電電極３の厚みは、焼成後に５〜５０μｍにするように設計することが望ましい。放電電極３の厚みが５μｍ未満では、印刷時のムラが発生し、放電のムラを生じることがある。また、放電電極３の厚みが５μｍ未満では、放電による劣化で寿命が短くなることも予想できる。逆に放電電極３の厚みが５０μｍを超えると、焼成時にメタライズインクの脱媒が困難となり、保護層５に気泡が生じ、放電の効率が落ちてしまう。
【００３５】
次に、給電部７ａ、７ｂをメタライズインクによりセラミッスグリーンシート１の裏面に印刷し形成する。給電部７ａ、７ｂの焼成後の厚みは５〜５０μｍになるように設計することが望ましく、５μｍ未満では、印刷時のムラが発生し、導通が取れなくなり、逆に配線回路の厚みが５０μｍを超えると、焼成時にメタライズインクの脱媒が困難となり、給電部に気泡が生じ、給電部の強度が劣化することが容易に推測される。
【００３６】
最後に、放電電極３上にセラミック層をベース層５ａとして、表面層５ｂに原料粒径の細かいセラミックス、非結晶化ガラス層または、ポリイミド層のいずれかを表面層５ｂとして重ねた多層構造の保護層５を形成する。保護層５は印刷またはシート密着にて形成する。保護層５を形成する原料の粒径を細かくすると、表面粗さが小さくなることは容易に推測できる。保護層５の焼成後の厚みが１０μｍ以下では、放電により保護層５が破壊され、また、保護層５厚みを厚くすると放電効率が悪くなるため、その厚みは２０〜１００μｍ以下が望ましい。また、放電により生成する放電阻害物の硫酸アンモニウムは放電電極３上、及びその周辺のセラミックスの凹凸部に入り込み、白色針状結晶として成長する。よって、その析出を抑制することために、保護層５の表面粗さはＲａ１０μｍ以下が望ましい。また、保護層５のＲａを小さくする方法としては、ブラスト、研磨などによる加工も可能であるが、保護層５の厚み管理が困難となる。
【００３７】
このように形成した放電素子８を１４００℃〜１６００℃の還元ガス雰囲気にて焼成する。焼成後、給電部７にメッキを施し、ロー付け・半田等で給電線と接続する。放電により発生するオゾン、イオンの影響下に長期曝された場合、給電部状のメッキ、半田、ロー材、配線等が酸化され、断線等の障害を引き起こすことは十分予想できるため、給電部７ａ、７ｂは放電面の裏面に設けることが望ましい。これは、給電部７ａ、７ｂ付近にコロナ放電が発生し、給電部７ａ、７ｂが劣化することを防止するためである。また、配線した給電部７ａ、７ｂ上にシリコンなどで、酸化防止の措置をとることも効果がある。
【００３８】
高周波交流電源により給電部７ａ、７ｂに高周波交流高電圧を印加すると、放電電極３の周縁より、高周波コロナ放電が発生する。この放電により、放電面には正負イオンをふくむプラズマが形成される。
【００３９】
また、この種の放電素子８は、５ｋＶ以上のような電圧を印加すると、オゾン発生用放電素子となり、１．２ＫＶのような電圧を印加するとイオン発生用放電素子として利用できることは周知のことである。
【実施例】
【００４０】
純度９６％のアルミナからなるセラミックシート２にタングステンインクからなる幅１０ｍｍ長さ４０ｍｍの形状の誘導電極４をプリントし、この上に誘電体層となるセラミックシート２を密着し、さらにセラミックシート２の前記誘導電極４に対向する面に放電電極３を形成し、該放電電極３の表面にさらに保護層５を形成し、所定の大きさに切断した後、１５５０℃で３時間焼成して放電素子８を作製した。ここで、保護層５の表面粗さ、保護層５の材料、保護層５の厚みを表１に示すように変え、２７種類の放電素子８を用意した。
【００４１】
保護層５の表面粗さは、保護層５を形成するペーストに含まれる原料粉末の粒径を変えたり、サンドペースト等にて研磨することで調節した。
【００４２】
また、以下の方法で作製した放電素子８を評価した。
【００４３】
まず、耐過電圧評価として、８ｋＶ（Ｐ−Ｐ）、６０ｋＨｚの高周波高電圧電源を用い、１分間通電した。過電圧を印加する事で、耐過電圧評価を実施した。この評価にて、絶縁破壊、保護層５の劣化具合等を観察した。
【００４４】
次に、耐久評価として、４０℃−９５％ＲＨの高温高湿状態にて、５ｋＶ（Ｐ−Ｐ）、４０ｋＨｚの加速評価用の高周波高電圧電源を用い、連続放電を行った。そして、一定時間で抜き取り、オゾン発生量の経時変化を測定した。オゾン発生量の測定の際には、３ｋＶ（Ｐ−Ｐ）、１０ｋＨｚの高周波高電圧電源を用い、２５℃−６０％ＲＨの環境条件にて発生するオゾン量を測定した。測定方法は、恒温恒湿槽内にて、空気流量２０Ｌ／ｍｉｎ、内径５２ｍｍの円筒内で放電素子８に高電圧を印加・放電させ、下流に、オゾン濃度測定器（ダイレックス(株）社製ＤＹ−１５００型）のサンプリングチューブを設置し、測定を行った。サンプリングチューブの下流にはオゾン吸着ハニカムを置き、恒温恒湿槽内にオゾンが滞留する事を防止した。測定は、放電素子８に電圧印加後、１分後の濃度を測定値とした。本発明においては、６０時間連続通電後のオゾン発生量が、耐久評価初期でのオゾン発生量の６０％以上を合格とした。
【００４５】
結果を表１に示す。
【表１】
2005135716.tif 000003
【００４６】
本発明の請求範囲外である試料番号１１〜２７は、放電状態、耐久性に問題があることが判る。特に、保護層５の表面粗さがＲａ１０μmより粗い試料番号１３〜１９は、保護層５の表面に硫酸アンモニウムが析出し、放電を阻害するため、連続放電後のオゾン発生量が初期の７０％以下となることから、耐久性が劣ると判断した。これに対し、保護層５の表面粗さＲａが１０μm以下の試料番号１〜１０、２１、２４〜２７は耐久後のオゾン発生量の低下が小さく良好な耐久性を示した。また、前記表面粗さＲａを３μｍ以下とすれば、耐久後のオゾン生成量を初期の９０％以上とすることが可能となり、さらに、前記表面粗さＲａを１μｍ以下とすれば、耐久後のオゾンの生成量を９５％以上とすることができることが判った。
【００４７】
次に、試料番号１，２，７，１２、２０の結果から、保護層５の総厚みは２０μm以上１００μm以下が望ましいことが判る。保護層５の厚みが２０μm未満では、過電圧評価にて放電の衝撃により、保護層５にクラックが発生した。また、保護層５ａのベース層５ａとなるセラミック層の厚みが１００μm以上では、放電が生じなくなる結果となった。これは、保護層５が厚すぎて、放電を阻害している為である。なお、保護層５の厚みが１００μｍを越える１２、２０，２３については、印加する電圧を１０ｋＶにすればオゾンの発生を確認できた。
【００４８】
また、試料番号１，７，１１，１２の結果から、ベース層５ａとなるセラミック層の厚みは５μm以上１００μm以下が望ましいことが判る。ベース層５ａとなるセラミック層の厚みが５μｍ未満では、過電圧評価にて、放電の衝撃により、保護層５にクラックが発生する。そのクラックにより耐久性が劣化する事は容易に推測できる。また、ベース層５ａとなるセラミック層の厚みが１００μmを超えると、放電が生じなくなる結果となった。これも、保護層５が厚すぎて、放電を阻害している為である。
【００４９】
次に、試料番号１，１９の結果から、保護層５に使用するガラスは、非結晶化ガラスの方が、結晶化ガラスより耐久性に優れる事が判る。結晶化ガラスは、焼結後にガラス成分の結晶化、粒成長により、表面粗さが粗くなるため、放電時に硫酸アンモニウムが析出し易くなり、耐久性が劣る。
【００５０】
また、試料番号１，７，１１，１２、２１，２２の結果から、ベース層５ａとなるセラミック層の厚みは５μm以上１００μm以下が望ましいことが判る。ベース層５ａとなるセラミック層の厚みが５μｍ未満では、放電の衝撃により、保護層５にクラックが発生する。そのクラックにより耐久性が劣化する事は容易に推測できる。また、ベース層５ａとなるセラミック層の厚みが１００μm以上では、放電が生じなくなる結果となった。また、ベース層５ａとなるのはセラミック層とすることが望ましいことが、試料番号１〜１０、２１、２３、２５〜２７の結果から判る。また、ガラス層の厚みが２０μm以下では放電の衝撃に耐えられず保護層５にクラックが入り、１００μmを越えると放電しにくい傾向にある。表面層５ｂとなるポリイミド層を厚み２０μm以上にすると、耐久後にオゾンの発生量が減少する傾向にある。これは、ポリイミド自体に吸水性があるため、放電しにくくなっていると予想される。したがって、表面層となるポリイミドの厚みは、１０μm以下とすることが望ましい。
【００５１】
また、比較として放電素子８裏面に加熱素子を取り付けたサンプルを評価したが、表面粗さＲａが１０μm以上ではあるが、加熱する効果により、硝酸アンモニウムの生成が抑えられ、耐久評価後のオゾン発生量の変化の差が小さい。ただし、加熱素子を作動させないと、硝酸アンモニウムが析出し、耐久性が劣る結果となった。
【００５２】
それに比べ、本発明の請求範囲内である試料番号１〜１０と、従来技術の加熱素子をつけたサンプルとを比較して、耐久評価後のオゾン発生量の変化に差が無いことが判る。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の放電素子の展開斜視図である。
【図２】本発明の放電素子の断面図である。
【図３】従来の放電素子の展開斜視図である。
【符号の説明】
【００５４】
１，２  セラミックシート
３  放電電極
４  誘電電極
５  保護層
８  放電素子
【図１】
2005135716.tif 000004
【図２】
2005135716.tif 000005
【図３】
2005135716.tif 000006